beszélgettünk arról, hogyan működnek a buszok és a protokollok az ipari automatizálásban. Ezúttal a modern működő megoldásokra koncentrálunk: megnézzük, milyen protokollokat használnak a rendszerek világszerte. Nézzük a német Beckhoff és Siemens, az osztrák B&R, az amerikai Rockwell Automation és az orosz Fastwel technológiáit. Tanulmányozni fogunk olyan univerzális megoldásokat is, amelyek nem kötődnek egy adott gyártóhoz, mint például az EtherCAT és a CAN.
A cikk végén egy összehasonlító táblázat található az EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP és ModbusTCP protokollok jellemzőivel.
Nem vettük bele a PRP, HSR, OPC UA és egyéb protokollokat a felülvizsgálatba, mert Az ipari automatizálási rendszereket fejlesztő mérnöktársainktól már kiváló cikkek jelentek meg róluk a Habrén. Például, и .
Először is definiáljuk a terminológiát: Industrial Ethernet = ipari hálózat, Fieldbus = terepi busz. Az orosz ipari automatizálásban zavar van a terepi busszal és az alsóbb szintű ipari hálózattal kapcsolatban. Ezeket a kifejezéseket gyakran egyetlen, homályos fogalommá egyesítik, az úgynevezett "alsó szint", amelyet terepi busznak és alszintű busznak is neveznek, bár lehet, hogy egyáltalán nem busz.
Miért van ez?Ez a zavar nagy valószínűséggel abból adódik, hogy sok modern vezérlőben az I/O modulok csatlakoztatását gyakran hátlapon vagy fizikai buszon keresztül valósítják meg. Vagyis bizonyos buszérintkezők és csatlakozók több modul egyetlen egységbe történő egyesítésére szolgálnak. De az ilyen csomópontok ipari hálózattal és terepi busszal is összekapcsolhatók. A nyugati terminológiában egyértelmű a felosztás: a hálózat hálózat, a busz az busz. Az elsőt az Industrial Ethernet, a másodikat a Fieldbus kifejezéssel jelölik. A cikk az „ipari hálózat” és a „terepi busz” kifejezések használatát javasolja ezekre a fogalmakra.
A Beckhoff által kifejlesztett EtherCAT ipari hálózati szabvány
Az EtherCAT protokoll és az ipari hálózat ma talán az egyik leggyorsabb adatátviteli módszer az automatizálási rendszerekben. Az EtherCAT hálózatot sikeresen használják elosztott automatizálási rendszerekben, ahol az egymással kölcsönhatásban lévő csomópontok nagy távolságra vannak elválasztva.
Az EtherCAT protokoll szabványos Ethernet kereteket használ a táviratok továbbítására, így kompatibilis marad bármely szabványos Ethernet berendezéssel, sőt, az adatok fogadása és továbbítása bármely Ethernet vezérlőn megszervezhető, amennyiben a megfelelő szoftver rendelkezésre áll.
Beckhoff vezérlő egy sor I/O modullal. Forrás:
A protokoll specifikáció nyitott és elérhető, de csak a fejlesztői szövetség - EtherCAT Technology Group keretein belül.
Így működik az EtherCAT (a látvány lenyűgöző, mint a Zuma Inca játék):
Ebben a protokollban a nagy cseresebesség - és mikroszekundum egységekről beszélhetünk - annak köszönhető, hogy a fejlesztők megtagadták a táviratok cseréjét, amelyeket közvetlenül egy adott eszközre küldtek. Ehelyett egy táviratot küldenek az EtherCAT hálózatra, minden eszköznek egyszerre címezve, és az információgyűjtésre és -továbbításra szolgáló szolga csomópontok mindegyike (ezeket gyakran OSO-nak is nevezik - objektumkommunikációs eszköz) veszi tőle „menet közben”. a neki szánt adatokat, és táviratban beszúrja azokat az adatokat, amelyeket készen áll a cserére. A távirat ezután elküldésre kerül a következő szolga csomóponthoz, ahol ugyanaz a művelet történik. Az összes vezérlőeszközön áthaladva a távirat visszakerül a fővezérlőhöz, amely a szolga eszközöktől kapott adatok alapján megvalósítja a vezérlési logikát, a táviraton keresztül ismét kölcsönhatásba lépve a szolga csomópontokkal, amelyek vezérlőjelet adnak ki a felszerelés.
Egy EtherCAT hálózatnak tetszőleges topológiája lehet, de lényegében mindig gyűrű lesz – a full duplex mód és a két Ethernet csatlakozó használatának köszönhetően. Ily módon a távirat mindig egymás után kerül továbbításra a buszon lévő egyes eszközökhöz.
Egy több csomóponttal rendelkező Ethercat hálózat sematikus ábrázolása. Forrás:
Az EtherCAT specifikáció egyébként nem tartalmaz korlátozásokat a 100Base-TX fizikai rétegre, így a protokoll megvalósítása gigabites és optikai vonalak alapján lehetséges.
Nyílt ipari hálózatok és PROFIBUS/NET szabványok a Siemenstől
A német Siemens konszern régóta ismert programozható logikai vezérlőiről (PLC), amelyeket világszerte használnak.
A Siemens berendezései által vezérelt automatizált rendszer csomópontjai közötti adatcsere a PROFIBUS nevű terepi buszon és a PROFINET ipari hálózaton keresztül történik.
A PROFIBUS busz speciális kéterű kábelt használ DB-9 csatlakozókkal. A Siemensnek lilában van, de láttunk már mást is a gyakorlatban :). Több csomópont csatlakoztatásához egy csatlakozó két kábelt csatlakoztathat. Kapcsolója is van a terminálellenálláshoz. A hálózat végberendezésein a terminálellenállást be kell kapcsolni, ezzel jelezve, hogy ez az első vagy utolsó eszköz, utána pedig nincs semmi, csak sötétség és üresség (minden rs485 így működik). Ha bekapcsol egy ellenállást a közbenső csatlakozón, az azt követő szakasz kikapcsol.
PROFIBUS kábel csatlakozó csatlakozókkal. Forrás:
A PROFINET hálózat analóg, sodrott érpárú kábelt használ, általában RJ-45 csatlakozókkal, a kábel zöld színű. Ha a PROFIBUS topológiája egy busz, akkor a PROFINET hálózat topológiája bármi lehet: gyűrű, csillag, fa vagy minden együtt.
Siemens vezérlő csatlakoztatott PROFINET kábellel. Forrás: w3.siemens.com
A PROFIBUS buszon és a PROFINET hálózaton több kommunikációs protokoll található.
PROFIBUS esetén:
- PROFIBUS DP - ennek a protokollnak a megvalósítása távoli slave eszközökkel való kommunikációt foglal magában, PROFINET esetében ez a protokoll megfelel a PROFINET IO protokollnak.
- A PROFIBUS PA lényegében megegyezik a PROFIBUS DP-vel, csak az adatátvitel és tápellátás robbanásbiztos változataihoz használható (a PROFIBUS DP-vel analóg, eltérő fizikai tulajdonságokkal). A PROFINET esetében még nem létezik a PROFIBUS-hoz hasonló robbanásbiztos protokoll.
- PROFIBUS FMS - más gyártók rendszereivel való adatcserére tervezve, amelyek nem tudják használni a PROFIBUS DP-t. A PROFIBUS FMS analógja a PROFINET hálózatban a PROFINET CBA protokoll.
PROFINET esetén:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
A PROFINET IO protokoll több osztályra oszlik:
- PROFINET NRT (nem valós idejű) – olyan alkalmazásokban használatos, ahol az időzítési paraméterek nem kritikusak. Ethernet TCP/IP adatátviteli protokollt, valamint UDP/IP protokollt használ.
- PROFINET RT (valós idejű) - itt az I/O adatcsere Ethernet keretek segítségével valósul meg, de a diagnosztikai és kommunikációs adatok átvitele továbbra is UDP/IP-n keresztül történik.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Ezt a protokollt kifejezetten mozgásvezérlő alkalmazásokhoz fejlesztették ki, és izokron adatátviteli fázist is tartalmaz.
Ami a PROFINET IRT hard real-time protokoll megvalósítását illeti, a távoli eszközökkel való kommunikációhoz két cserecsatornát különböztet meg: izokron és aszinkron. A rögzített csereciklushosszú izokron csatorna óraszinkronizálást használ és időkritikus adatokat továbbít, az átvitelhez másodszintű táviratokat használnak. Az átvitel időtartama egy izokron csatornában nem haladja meg az 1 milliszekundumot.
Az aszinkron csatorna úgynevezett valós idejű adatokat továbbít, amelyeket szintén MAC címen keresztül címeznek. Ezenkívül a TCP/IP-n keresztül különféle diagnosztikai és kiegészítő információkat továbbítanak. Természetesen a valós idejű adatok, még kevésbé az egyéb információk sem szakíthatják meg az izokron ciklust.
A PROFINET IO funkciók kiterjesztett készletére nem minden ipari automatizálási rendszerhez van szükség, ezért ez a protokoll egy adott projekthez van méretezve, figyelembe véve a megfelelőségi osztályokat vagy megfelelőségi osztályokat: CC-A, CC-B, CC-CC. A megfelelőségi osztályok lehetővé teszik a terepi eszközök és a gerinchálózati összetevők kiválasztását a minimálisan szükséges funkcionalitással.
Forrás:
A PROFINET hálózat második csereprotokollja - PROFINET CBA - a különböző gyártók berendezései közötti ipari kommunikáció megszervezésére szolgál. Az IAS rendszerek fő termelőegysége egy bizonyos egység, az úgynevezett komponens. Ez az összetevő általában egy eszköz vagy berendezés mechanikus, elektromos és elektronikus alkatrészeinek, valamint a kapcsolódó alkalmazásszoftvereknek a gyűjteménye. Minden komponenshez egy szoftvermodul kerül kiválasztásra, amely tartalmazza az adott komponens interfészének teljes leírását a PROFINET szabvány követelményeinek megfelelően. Ezt követően ezek a szoftvermodulok adatcserére szolgálnak az eszközökkel.
B&R Ethernet POWERLINK protokoll
A Powerlink protokollt az osztrák B&R cég fejlesztette ki a 2000-es évek elején. Ez a valós idejű protokoll egy újabb megvalósítása az Ethernet szabványon felül. A protokoll specifikáció elérhető és szabadon terjeszthető.
A Powerlink technológia úgynevezett vegyes lekérdezési mechanizmust használ, amikor az eszközök közötti minden interakció több fázisra oszlik. A különösen kritikus adatok továbbítása az izokron cserefázisban történik, amelyhez a szükséges válaszidő be van állítva, a fennmaradó adatok pedig lehetőség szerint az aszinkron fázisban kerülnek továbbításra.
B&R vezérlő egy sor I/O modullal. Forrás: br-automation.com
A protokollt eredetileg a 100Base-TX fizikai réteg tetején valósították meg, de később egy gigabites implementációt fejlesztettek ki.
A Powerlink protokoll kommunikációs ütemezési mechanizmust használ. Egy bizonyos marker vagy vezérlő üzenet kerül a hálózatba, melynek segítségével megállapítható, hogy éppen melyik készülék rendelkezik adatcserére jogosultsággal. Egyszerre csak egy eszköz férhet hozzá a központhoz.
Egy Ethernet POWERLINK hálózat sematikus ábrázolása több csomóponttal.
Az izokron fázisban a lekérdezési vezérlő szekvenciálisan küld egy kérést minden csomópontnak, amelytől kritikus adatokat kell kapnia.
Az izokron fázist, mint már említettük, állítható ciklusidővel hajtják végre. A csere aszinkron fázisában az IP protokoll verem használatos, a vezérlő nem kritikus adatokat kér az összes csomóponttól, amelyek választ küldenek, amikor hozzáférést kapnak a hálózatra történő átvitelhez. Az izokron és az aszinkron fázis közötti időarány manuálisan állítható.
Rockwell Automation Ethernet/IP protokoll
Az EtherNet/IP protokollt az amerikai Rockwell Automation cég aktív részvételével fejlesztették ki 2000-ben. TCP és UDP IP-vermet használ, és kiterjeszti az ipari automatizálási alkalmazásokhoz. A név második része a közhiedelemmel ellentétben nem Internet Protokollt, hanem Industrial Protocolt jelent. Az UDP IP a CIP (Common Interface Protocol) kommunikációs veremet használja, amelyet a ControlNet/DeviceNet hálózatokban is használnak, és a TCP/IP tetején valósulnak meg.
Az EtherNet/IP specifikáció nyilvánosan elérhető és ingyenesen elérhető. Az Ethernet/IP hálózati topológia tetszőleges lehet, és tartalmazhat gyűrűt, csillagot, fát vagy buszt.
A HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP protokollok szabványos funkciói mellett megvalósítja az időkritikus adatok átvitelét a lekérdezési vezérlő és az I/O eszközök között. A nem időkritikus adatok továbbítását TCP-csomagok biztosítják, a ciklikus vezérlő adatok időkritikus szállítását pedig az UDP protokollon keresztül.
Az elosztott rendszerekben az idő szinkronizálására az EtherNet/IP a CIPsync protokollt használja, amely a CIP kommunikációs protokoll kiterjesztése.
Egy Ethernet/IP hálózat sematikus ábrázolása több csomóponttal és Modbus eszközök csatlakoztatásával. Forrás:
Az EtherNet/IP hálózat beállításának egyszerűsítése érdekében a legtöbb szabványos automatizálási eszköz előre meghatározott konfigurációs fájlokkal érkezik.
Az FBUS protokoll megvalósítása a Fastwelnél
Sokáig gondolkodtunk azon, hogy az orosz Fastwel céget felvesszük-e ebbe a listába az FBUS ipari protokoll hazai implementációjával, de aztán úgy döntöttünk, írunk néhány bekezdést, hogy jobban megértsük az importhelyettesítés valóságát.
Az FBUS-nak két fizikai megvalósítása van. Az egyik egy olyan busz, amelyben az FBUS protokoll az RS485 szabványon felül fut. Ezen kívül van egy FBUS megvalósítása egy ipari Ethernet hálózatban.
Az FBUS aligha nevezhető nagysebességű protokollnak, a válaszidő erősen függ a buszon lévő I/O modulok számától és a csereparaméterektől, általában 0,5-10 milliszekundum között mozog. Egy FBUS szolga csomópont csak 64 I/O modult tartalmazhat. Terepi busznál a kábel hossza nem haladhatja meg az 1 métert, tehát nem elosztott rendszerekről beszélünk. Illetve igen, de csak ipari FBUS hálózat használatakor TCP/IP-n keresztül, ami a lekérdezési idő többszörös növekedését jelenti. A modulok csatlakoztatására buszhosszabbító vezetékek használhatók, ami lehetővé teszi a modulok kényelmes elhelyezését az automatizálási szekrényben.
Fastwel vezérlő csatlakoztatott I/O modulokkal. Forrás:
Összesen: hogyan használják mindezt a gyakorlatban az automatizált folyamatirányító rendszerekben
Természetesen a modern ipari adatátviteli protokollok sokfélesége sokkal nagyobb, mint amit ebben a cikkben leírtunk. Némelyik egy adott gyártóhoz kötődik, néhány pedig éppen ellenkezőleg, univerzális. Az automatizált folyamatirányító rendszerek (APCS) fejlesztése során a mérnök kiválasztja az optimális protokollokat, figyelembe véve a konkrét feladatokat és korlátozásokat (műszaki és költségvetési).
Ha egy adott csereprotokoll elterjedtségéről beszélünk, megadhatjuk a vállalat diagramját HMS Networks AB, amely bemutatja a különböző cseretechnológiák piaci részesedését az ipari hálózatokban.
Forrás:
Amint az az ábrán látható, a Siemens PRONET és PROFIBUS termékei foglalják el a vezető pozíciókat.
Érdekes módon 6 éve .
Az alábbi táblázat összefoglaló adatokat tartalmaz a leírt csereprotokollokról. Egyes paraméterek, például a teljesítmény, absztrakt kifejezésekkel vannak kifejezve: magas / alacsony. Számszerű megfelelői a teljesítményelemző cikkekben találhatók.
|
|
EtherCAT
|
POWERLINK
|
PROFINET
|
Ethernet/IP
|
ModbusTCP
|
|
Fizikai réteg
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
100/1000 BASE-TX
|
|
Adatszint
|
Csatorna (Ethernet keretek)
|
Csatorna (Ethernet keretek)
|
Csatorna (Ethernet keretek), Hálózat/átvitel (TCP/IP)
|
Hálózat/Transport (TCP/IP)
|
Hálózat/Transport (TCP/IP)
|
|
Valós idejű támogatás
|
Igen
|
Igen
|
Igen
|
Igen
|
Nincs
|
|
termelékenység
|
Magas
|
Magas
|
IRT – magas, RT – közepes
|
Átlag
|
alacsony
|
|
Kábelhossz a csomópontok között
|
100m
|
100m/2km
|
100m
|
100m
|
100m
|
|
Átadási fázisok
|
Nincs
|
Izokron + aszinkron
|
IRT – izokron + aszinkron, RT – aszinkron
|
Nincs
|
Nincs
|
|
Csomópontok száma
|
65535
|
240
|
TCP/IP hálózati korlátozás
|
TCP/IP hálózati korlátozás
|
TCP/IP hálózati korlátozás
|
|
Ütközésfeloldás
|
Gyűrű topológia
|
Óra szinkronizálás, átviteli fázisok
|
Gyűrű topológia, átviteli fázisok
|
Kapcsolók, csillag topológia
|
Kapcsolók, csillag topológia
|
|
Forrócsere
|
Nincs
|
Igen
|
Igen
|
Igen
|
A megvalósítástól függően
|
|
A felszerelés költsége
|
alacsony
|
alacsony
|
Magas
|
Átlag
|
alacsony
|
A leírt csereprotokollok, terepi buszok és ipari hálózatok alkalmazási területei igen változatosak. A vegyipartól és az autóipartól az űrtechnológiáig és az elektronikai gyártásig. A nagy sebességű csereprotokollokra van igény a különféle eszközök valós idejű helymeghatározó rendszereiben és a robotikában.
Milyen protokollokkal dolgozott és hol alkalmazta őket? Ossza meg tapasztalatait a megjegyzésekben. 🙂
Forrás: will.com